JPH1137937A

JPH1137937A - 屈折率分布の測定装置及び該装置を用いた屈折率分布の測定方法

Info

Publication number: JPH1137937A
Application number: JP9207389A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Nakase; 知子仲瀬
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】屈折率がほぼ同一の試液Ｂ内にセットされた
被検物Ａについて、干渉縞像を形成し、形成された干渉
縞像の透過波面を測定して被検物の屈折率分布を測定す
る装置において、試液Ｂの温度ムラが少なくなり、精度
のよい測定ができる装置を提供する。【解決手段】試液Ｂを入れたセル２１の外側を容器３
１で覆い、容器３１に液体Ｃを入れ、該液体Ｃにより上
記試液Ｂの温度を制御する。液体Ｃは入口３２から入り
出口３３から出て循環するが、容器３１の出口側にガイ
ド板３４を設け、液体Ｃがセル２１の周辺を大きく回る
ようにして広範囲で熱交換させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、干渉縞の解析によ
り被検物の屈折率分布を３次元的に測定する技術に関
し、特に、被検物を屈折率がほぼ等しい試液内に浸して
測定する測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザプリンタやカメラなどの光
学機器に使用される光学レンズの材料としてプラスチッ
クを用いることが多くなっている。プラスチック成形レ
ンズはガラス研磨レンズに比較して、コスト低減や非球
面レンズの製作性に優れ、安価であるというメリットが
ある。

【０００３】しかし、その反面、ガラスレンズに比べ製
造上、屈折率分布が不安定でレンズの内部に不均一性を
生じることがある。レンズ内部に不均一性があると、光
学特性に大きな影響を及ぼし、画質の劣化やボケといっ
た原因につながる。従って、レンズ内部の屈折率分布を
高精度に測定し、光学レンズの均質性を評価する必要が
ある。

【０００４】そこで、本発明の出願人は、被検物を試液
中に浸した状態で光軸と直交する軸を中心に回転させ、
複数の回転角位置の各々で干渉縞の解析を行い、これら
の干渉縞から透過波面量を算出し、これを一次フーリエ
変換し、さらに、二次元逆フーリエ変換を行って屈折率
の分布を求める方法を開発した。

【０００５】図９を用いて具体的に説明する。同図の装
置は、マハツェンダ型の干渉計を基本構成としており、
可干渉光としてのレーザ光を射出する光源１と、ビーム
エキスパンダ３と、光束分割用のビームスプリッタ５
と、２つの反射ミラー７、９と、光束重畳用のビームス
プリッタ１１と、結像レンズ１３と、ＣＣＤなどからな
る干渉縞検出器１５と、高速画像処理装置、マイクロコ
ンピュータなどからなる演算処理装置１７とを備えてい
る。以上の構成のうち、光源１から結像レンズ１３まで
で、干渉計を構成している。

【０００６】光源１より出射するレーザ光は、ビームエ
キスパンダ３によって光束径を拡大され、ビームスプリ
ッタ５によってこれを直進して参照波ａとなるレーザ光
束と、直角に屈折して被検物Ａとしての位相物体を透過
する被検波ｂとなるもう一つのレーザ光束とに分割され
る。参照波ａと被検波ｂとは、ほぼ１：１となるように
なっている。

【０００７】反射ミラー７は、ピエゾ素子などによる電
気−変位変換素子１９により支持され、位相シフト法に
よる干渉縞解析を行うために、参照波ａの光路長を波長
のオーダで変更できるように配置されている。

【０００８】参照波ａは反射ミラー９で反射されてビー
ムスプリッタ１１に達し、他方の被検波ｂは、被検物Ａ
を透過してビームスプリッタ１１に達して参照波ａと重
なり合うが、電気−変位変換素子１９により参照波ａと
被検波ｂとの光路長には、ｎπ／２の位相の差ができる
ように調整される。

【０００９】参照波ａと被検波ｂは重畳され、ビームス
プリッタ１１から射出されて結像レンズ１３に入射し、
干渉縞検出器１５の撮像面に干渉縞を結像する。干渉縞
検出器１５にはリニアＣＣＤやアレイ状のセンサを用い
る。

【００１０】被検物Ａの屈折率は空気の屈折率とはかな
り相違しており、被検物の入射面と射出面とが平行でな
い限り、被検物Ａを透過した被検波ｂは、不規則に収束
・発散する。一方、干渉計で干渉縞を結像させるには、
被検波ｂは、ほぼ平行な光束となっていなければならな
い。そこで、被検物Ａがどのような形状であっても、被
検物Ａを透過した被検波ｂがほぼ平行光束になるため
に、次のような構成としている。

【００１１】すなわち、被検物Ａは、被検波ｂの光路の
途中に設けられた容器状のセル２１内に設置する。セル
２１内には、その屈折率が被検物Ａの屈折率とほぼ同一
に調合された試液Ｂを満たしてある。なお、被検物Ａ
は、回転台２３上に載置され、回転台２３は、図示しな
いサーボモータなどにより、被検波ｂに対して直交する
軸を中心に任意の角度だけ回転自在である。セル２１の
両端、すなわち、被検波ｂの入射窓２５と射出窓２７は
互いに平行で、かつ、それぞれに面精度が高いオプチカ
ルフラット２８，２９を取り付けて液密にシールドして
いる。したがって、被検物Ａと試液Ｂで充填されたセル
２１は、全体として均一な屈折率の物体となり、かつ、
入射面と射出面とが平行なので、セル２１内を透過した
被検波ｂは、ほぼ平行な光束となって射出されるように
なる。

【００１２】干渉縞像は、干渉縞検出器１５で検出さ
れ、光電変換されて電気的な画像信号となり、Ａ／Ｄ変
換器２０によってＡ／Ｄ変換された後、演算装置１７に
入力される。なお、演算装置１７は、位相シフト法など
による干渉縞像の解析によって透過波面の計測演算を行
う透過波面計測部１８を含んでいる。

【００１３】次に上述の構成よりなる測定装置を利用し
て被検物Ａの屈折率を計測する方法を説明する。まず、
被検物Ａを回転台２３にセットしない状態で、干渉縞検
出器１５が出力する干渉縞像の画像信号を演算処理装置
１７に取り込んで演算処理装置内部の透過波面計測部１
８により干渉縞像の解析を行い、初期状態の透過波面の
計測をする。この計測結果に基づいて測定装置自身の定
常的な誤差成分を排除する初期処理を行う。

【００１４】次に、回転台２３に被検物Ａをセットし、
回転台２３がθ＝０の位置で干渉縞検出器１５の撮像面
に干渉縞を結像し、干渉縞検出器１５が出力する干渉縞
像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで干渉縞像
の解析を行う。

【００１５】回転台２３が初期回転位置にある透過波面
の計測では、干渉縞像の解析結果は被検物Ａの厚み方向
（ｘ方向）に積算されており、これだけでは屈折率の不
均一部分の空間的な位置を特定することができない。

【００１６】そこで、回転台２３を初期回転位置より所
定角度回転させ、回転台２３上の被検物Ａを被検波ｂの
光軸に対して変化させる。このように被検物Ａが回転変
位しても干渉縞像は干渉縞検出器１５の撮像面に結像す
る。この状態下にて干渉縞検出器１５が出力する干渉縞
像の画像信号を演算処理装置１７に取り込んで透過波面
の計測をする。こうしてたとえば、１゜刻みで１８０゜
（π）あるいは３６０゜（２π）の方向から複数回に渡
って干渉縞を形成し、この透過波面を計測して、コンピ
ュータ、すなわち、演算処理装置１７上で再合成する。
この画像の再構成は、公知のＸ線ＣＴ（Computed Tomog
raphy）解析の手法を用いて行うことができる。

【００１７】図１０はＣＴ法の原理を示すものであり、
角度θから入射した被検波による透過波面のデータｐ
（ｘ，θ）を変数ｘについて一次元フーリエ変換すれ
ば、求めるべき屈折率の分布Δｎ（ｘ，ｙ）の二次元フ
ーリエ変換の極座標表現におけるθ方向成分が得られ
る。

【００１８】すなわち、０≦θ≦２π又は０≦θ≦πの
角度範囲にわたって透過波面を計測し、その透過波面デ
ータを一次元フーリエ変換し、フーリエ変換された各断
面の極座標データＰ（ｘ，θ）を直交座標データに変換
し、その後二次元逆フーリエ変換し、さらに屈折率に変
換する、ことにより被検物Ａの三次元屈折率分布を再構
成することができる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の屈折
率測定方法によれば、被検物Ａとしての位相物体を浸す
試液Ｂは、装置のまわりの空気やレーザによる発熱など
の影響を受け、その温度が徐々に上昇する。そして、温
度が変化すれば試液Ｂの屈折率も変化する。このとき、
温度変化が小さければ屈折率の変化も小さく、引き続い
て干渉縞の測定も可能である。しかし、温度変化が大き
くなると、屈折率の変化が大きくなり、被検物を透過し
た被検波ｂの平行度が乱れ、干渉縞の結像が困難にな
る。

【００２０】したがって、測定中の試液Ｂの温度変化を
一定の範囲内に制御し、試液の屈折率と被検物の屈折率
の差を小さく保てるようにすることが重要である。でき
れば、測定中の試液の温度を一定に保っておきたい。し
かし、上記の熱源は、装置に不可欠のものでもあり、試
液の温度変化を一定の範囲内に保つこととは二律背反の
関係になる。本発明は、上記の事実から考えられたもの
で、試液の温度を容易に制御することができる屈折率の
測定方法と、測定装置を提供することを目的としてい
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の装置は、同一光源からの可干渉光を参照波
と被検波とに分割し、これらを重畳して干渉縞を形成す
る干渉計と、上記被検物を屈折率が被検物とほぼ等しい
試液内に保持するとともに相互に平行な入射窓と射出窓
とを有するセルと、該セルの外側に設けられセルのほぼ
全体を浸す液体を収容する容器と、該容器の一方側の上
方に形成された液体の入口と、該容器の他方側下方に形
成された出口と、該容器内の出口と対向する位置に配置
されたガイド板とを有し、該ガイド板によって容器内の
液体が上記セルの表面を広範囲に渡って流れるようにし
たことを特徴としている。

【００２２】また、上記ガイド板から上記セルまでの距
離と、ガイド板から出口側の容器内壁までの距離と、ガ
イド板上端から液体水面までの距離との３つの距離をほ
ぼ等しくした構成とすることが望ましい。

【００２３】上記入口と対向する位置に邪魔板を設け、
入口から入ってきた液体が、上記セルに直接当たらない
ようにしたり、上記容器に開閉可能な監視窓を設けた
り、上記セルに、セルの内外を連通する筒体を設け、該
筒体が容器の外部に開口するようにしたり、上記セル
に、上記試液を注入する開閉可能な蓋を設けたりするこ
とができる。本発明の測定方法は、上記いずれかの測定
装置を用い、被検物を回転させながら次々に透過波面を
測定し、ＣＴ解析を用いて被検物の屈折率分布を測定す
ることを特徴としている。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施例を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施例の
要部を示す図である。本発明の屈折率測定装置は、図９
で説明した従来の屈折率測定装置における被検物Ａの周
辺の構成のみが相違するものである。

【００２５】本発明の被検物Ａは、セル２１内で支持部
材２６の下端に固定され、被検波ｂと直交する軸ｃを中
心に回転可能に保持されている。支持部材２６は、上下
に移動可能で、被検物Ａの高さを自由に調整できる構造
である。セル２１内には、屈折率が被検物Ａとほぼ同じ
試液Ｂを充填する。そして、本発明では、このセル２１
を、容器３１内に挿入し、セル２１の外側の容器３１内
に液体Ｃを充填している。液体Ｃとしては、水を使用し
ている。容器３１には、液体の入口３２と、出口３３と
があり、離れて設けられたポンプなどのサーキュレータ
にホース類で接続され、液体Ｃが循環できるようになっ
ている。

【００２６】セル２１の入射窓と射出窓とは、容器３１
の入射窓と射出窓とに重なった構成とし、ここにオプチ
カルフラット２８，２９をはめ込んでいる。このような
構成とすることによって、被検波ｂの光路から液体Ｃが
なくなり、液体Ｃの流動による被検波ｂへの影響を無く
すことができる。

【００２７】被検物Ａの屈折率の測定が行われている
間、液体Ｃは図示しないサーキュレータ等により循環さ
れる。液体Ｃは空気などの気体に比べて熱容量が大き
く、適当な加熱・冷却手段によって任意の温度に設定す
ることができ、試液Ｂを短時間で所望の温度範囲内に保
つことが可能となる。また、液体Ｃとして水を使用すれ
ば、安価であり、入手が容易である。

【００２８】本発明では、さらに、図１に示すように、
容器中の液体Ｃの出口３３（排水口）の手前に、ガイド
板３４を容器の底部から垂直に取り付ける。ガイド板３
４は、入射窓側から射出窓側までほぼ容器の長さと同じ
長さで、高さは、液面よりかなり低くなっている。

【００２９】このガイド板３４が無い場合は、容器３１
の左上方の入口３２から送り込まれた液体Ｃは、セル２
１の下側を通ってを直接右下側の出口３３から容器３１
外に出てしまい、セル２１の右側上方では十分な熱交換
がされなかった。それに対し、このようにガイド板３４
を設けると、セル２１の下側を通過した液体Ｃは、ガイ
ド板３４に当たって垂直に上方に上がり、セルの右側上
方とも十分に熱交換してガイド板３４を乗り越え、容器
の右下の出口３３から出ていくようになる。このよう
に、ガイド板３４を設けることで、液体Ｃがセル２１の
外側と広範囲にわたって接触でき、熱交換の効率が向上
する。すなわち、試液Ｂの温度ムラを少なくすることが
できる。

【００３０】図２は本発明の第２実施例を示す。この図
の実施例では、ガイド板３４からセル２１までの距離
と、出口３３側の容器３１の内壁までの距離と、ガイド
板上端から液体Ｃの水面までの距離との３つの距離をほ
ぼ等しくａとしている。これにより、ガイド板３４に当
たって上昇し、ガイド板３４を乗り越えて出口に向かう
液体Ｃの流路はネックがなくなるので、流体Ｃが容器内
を流れる際の圧力損失を低減することができ、試液Ｂの
温度ムラをさらに減少させることができる。

【００３１】図３は本発明の第３実施例を示す。この図
の実施例は、容器３１の入口３２と対向する位置に、邪
魔板３５をを取り付けたものである。入口３２から入っ
てきた液体Ｃは、その圧力によって、直接セル２１にぶ
つかり、局部的に熱交換が促進されて温度ムラができ易
かったが、このように邪魔板３５を取り付けることによ
って、直接セル２１にぶつかることがなくなり、局部的
に温度ムラができるのを防止することができる。

【００３２】また、邪魔板３５にぶつかった液体Ｃは、
邪魔板３５に沿って容器の下側に向かって循環する。こ
れにより、吸水による振動が、セル２１に伝わることも
防止できる。したがって、液体Ｃとの衝突による振動が
干渉計の光に悪影響を及ぼすことを軽減することができ
る。また、水の循環も良くなり、むらなく温度制御を行
うことができる。

【００３３】図４は本発明の第４実施例を示す。この実
施例では、容器３１の上面の左右に上蓋３６，３６を設
け、それぞれを蝶番３７，３７で開閉可能としている。
また、開閉が容易になるように上蓋には取っ手３６ａを
設けるとよい。上蓋３６を開けば容器３１の内部を見る
ことができ、特に、液体Ｃの循環の状況を目視により確
認することができる。また、ごみ等が液体Ｃに入るのを
防止し、室内の温度が液体Ｃに影響を与えないように、
通常は上蓋３６は閉じておく。また、容器３１の上面の
ほぼ中央には、被検物Ａをセル２１内に挿入するための
孔３８を開けておくとよい。

【００３４】図５及び図６は、本発明の第５実施例であ
る。この実施例では、セル２１の側面に筒体２２を取り
付け、筒体２２の先端が容器３１の上面に開口するよう
にして、ここから温度計２３が差し込めるようにしてい
る。このような構成にすることによって、セル２１内の
試液Ｂの温度を随時測定できるようになる。図７は本発
明の第６実施例を示す図で、図８はその斜視図である。
この実施例では、セル２１の上方開口部に蓋２４を設け
ている。測定装置を用いないときは、セル２１に栓をす
ることで、セル内にゴミなどが混入するのを防ぐことが
できる。

【００３５】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
セルの外側にセルのほぼ全体を液体に浸す容器と、容器
に形成された液体の入口と、出口と、該出口と対向する
位置に配置されたガイド板とを有し、ガイド板によって
液体が上記セルの表面を広範囲に渡って流れるようにし
たので、セル下側を流動してきた液体が直接排水口に向
かうことを避け、ガイド板に沿って、液体が容器の上側
まで循環してから排水口に向かう。このため、液体が、
容器内をよりよく循環することができる。それにより、
被検物の温度制御がムラなく、より速く行うことがで
き、より高精度な干渉計測が可能となる。また、液体の
排出による振動などの影響も屈折液の入っている容器に
直接伝わることを避けることができ、被検物の測定に対
して与える悪影響を軽減して、より高精度な干渉計測が
可能となる。

【００３６】また、ガイド板から上記セルまでの距離
と、出口側の容器内壁までの距離と、ガイド板上端から
液体水面までの距離との３つの距離をほぼ等しくする
と、液体の循環による圧力損失を減少できるので、より
温度ムラのない温度制御ができるようになる。

【００３７】入口と対向する位置に邪魔板を設け、入口
から入ってきた液体が、上記セルに直接当たらないよう
にすれば、容器に入ってきた液体の圧力が、屈折液の入
っている容器に直接当たることを避け、温度ムラを減少
し、振動による影響も排除することができる。

【００３８】容器に開閉可能な監視窓を設ければ、必要
なときにのみ監視窓を開けて装置の稼動状況を確認でき
る。また、必要のない時はゴミなどが混入しないように
閉めておくことができる。セルに、セルの内外を連通す
る筒体を設け、該筒体が容器の外部に開口するようにす
れば、ここから温度計を入れることにより、機械を稼働
させながら随時、試液の温度の観測が可能となる。これ
により、機械が正しく稼働していることが確認できる。
また、屈折液が所望の温度に達していることを即座に正
しく目で確認することができる。

【００４０】温度制御装置が稼働していないときに、こ
の蓋を用いることにより、被検物とほぼ屈折率が等しい
液体にゴミなどが混入することを防ぐことができる。こ
れにより、より精度の高い干渉計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の屈折率分布を測定する装置の要部構成
を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図であ
る。

【図２】本発明の第２実施例の要部構成を示す断面図で
ある。

【図３】本発明の第３実施例の要部構成を示す断面図で
ある。

【図４】本発明の第４実施例の要部構成を示す上面図で
ある。

【図５】本発明の第５実施例の要部構成を示す断面図で
ある。

【図６】本発明の第５実施例の要部構成を示す上面図で
ある。

【図７】本発明の第６実施例の要部構成を示す断面図で
ある。

【図８】本発明の第６実施例の要部構成を示す斜視図で
ある。

【図９】屈折率分布を測定する装置の構成を示す平面図
である。

【図１０】ＣＴ解析の原理を説明する図である。

【符号の説明】

Ａ被検物Ｂ試液Ｃ液体ａ参照波ｂ被検波１光源２１セル２５入射窓２７射出窓３１容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一光源からの可干渉光を参照波と被検
波とに分割し、これらを重畳して干渉縞を形成する干渉
計と、上記被検物を屈折率が被検物とほぼ等しい試液内
に保持するとともに相互に平行な入射窓と射出窓とを有
するセルと、該セルの外側に設けられセルのほぼ全体を
浸す液体を収容する容器と、該容器の一方側の上方に形
成された液体の入口と、該容器の他方側下方に形成され
た出口と、該容器内の出口と対向する位置に配置された
ガイド板とを有し、該ガイド板によって容器内の液体が
上記セルの表面を広範囲に渡って流れるようにしたこと
を特徴とする屈折率分布の測定装置。
【請求項２】上記ガイド板から上記セルまでの距離
と、ガイド板から出口側の容器内壁までの距離と、ガイ
ド板上端から液体水面までの距離との３つの距離をほぼ
等しくしたことを特徴とする請求項１記載の屈折率分布
の測定装置。
【請求項３】上記入口と対向する位置に邪魔板を設
け、入口から入ってきた液体が、上記セルに直接当たら
ないようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の
屈折率分布の測定装置。
【請求項４】上記容器に開閉可能な監視窓を設けたこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の屈折
率分布の測定装置。
【請求項５】上記セルに、セルの内外を連通する筒体
を設け、該筒体が容器の外部に開口するようにしたこと
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の屈折率
分布の測定装置。
【請求項６】上記セルに、上記試液を注入する開閉可
能な蓋を設けたことを特徴とする請求項１から５のいず
れかに記載の屈折率分布の測定装置。
【請求項７】上記被検物を回転させながら次々に透過
波面を測定し、ＣＴ解析を用いて被検物の屈折率分布を
測定する請求項１から６のいずれかに記載の屈折率分布
の測定装置を用いた屈折率分布の測定方法。